熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)教學(xué)大綱

課程編號(hào)：適用專業(yè)：物理學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)：72學(xué)分?jǐn)?shù)：41.課程類別：熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是物理學(xué)專業(yè)的專業(yè)主干課。2.教學(xué)目的：本課程主要講述熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基本概念、基本理論和重要應(yīng)用。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)熱力學(xué)理論的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步深化。特別是建立在微觀理論上的統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，將幫助學(xué)生了解大量粒子所構(gòu)成的系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，并掌握分析這類系統(tǒng)的有效方法。為今后從事有關(guān)熱現(xiàn)象的教學(xué)和技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。3.學(xué)時(shí)分配：見下表。學(xué)時(shí)分配表章次教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)導(dǎo)言課程的研究對(duì)象、任務(wù)、內(nèi)容和方法2一熱力學(xué)的基本規(guī)律12二均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)10三單元系的相變10四多元系的復(fù)相平衡和化學(xué)平衡熱力學(xué)第三定律10六近獨(dú)立粒子的最概然分布10七玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)10八玻色統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米統(tǒng)計(jì)8合計(jì)導(dǎo)言教學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)：熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的研究對(duì)象、任務(wù)、內(nèi)容和方法。難點(diǎn)：學(xué)習(xí)本課程的相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)。教學(xué)要求：了解熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的發(fā)展歷史，理解熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)兩者之間的區(qū)別和聯(lián)系，掌握熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的研究對(duì)象、任務(wù)、內(nèi)容和方法及其學(xué)習(xí)本課程的相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)。教學(xué)內(nèi)容：一、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的研究對(duì)象二、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的研究任務(wù)三、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容和方法四、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的發(fā)展歷史五、相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)補(bǔ)充第一章熱力學(xué)的基本規(guī)律教學(xué)時(shí)數(shù)：12學(xué)時(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)：平衡態(tài)，熱平衡定律和溫度，物態(tài)方程，熱力學(xué)第一定律，熱力學(xué)第二定律及數(shù)學(xué)表述，熱力學(xué)基本方程，內(nèi)能、焓、熵、自由能和吉布斯函數(shù)。難點(diǎn)：物態(tài)方程的求解，熵的性質(zhì)、熵的計(jì)算和熵增加原理的應(yīng)用。教學(xué)要求：了解：熱力學(xué)溫標(biāo)的建立，熱力學(xué)基本方程的意義。理解：熱平衡定律和溫度，熱力學(xué)第一定律，熱力學(xué)第二定律，熵和熵增加原理。掌握：平衡態(tài)，幾種物質(zhì)的物態(tài)方程，根據(jù)條件求系統(tǒng)的物態(tài)方程，各種條件下做功的表達(dá)式，熱力學(xué)基本方程，熵的計(jì)算和熵增加原理的應(yīng)用，內(nèi)能、熵、自由能、焓、吉布斯函數(shù)的定義和意義。教學(xué)內(nèi)容：一、熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)及其描述二、熱平衡定律和溫度三、物態(tài)方程四、功五、熱力學(xué)第一定律六、熱容量和焓七、理想氣體的內(nèi)能八、理想氣體的絕熱過程九、理想氣體的卡諾循環(huán)十、熱力學(xué)第二定律十一、卡諾定理十二、熱力學(xué)溫標(biāo)十三、克勞修斯等式和不等式十四、熵和熱力學(xué)基本方程十五、理想氣體的熵十六、熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表述十七、熵增加原理的簡(jiǎn)單應(yīng)用十八、自由能和吉布斯函數(shù)第二章均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)教學(xué)時(shí)數(shù)：10學(xué)時(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)：內(nèi)能、焓、自由能和吉布斯函數(shù)的全微分，麥克斯韋關(guān)系及其簡(jiǎn)單應(yīng)用，基本熱力學(xué)函數(shù)的確定，特性函數(shù)。難點(diǎn)：麥克斯韋關(guān)系的簡(jiǎn)單應(yīng)用，特性函數(shù)和基本熱力學(xué)函數(shù)的應(yīng)用，氣體的節(jié)流過程和絕熱膨脹過程，平衡輻射的熱力學(xué)性質(zhì)，磁介質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)。教學(xué)要求：了解：氣體的節(jié)流過程和絕熱膨脹過程，平衡輻射和磁介質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)。理解：基本熱力學(xué)函數(shù)，特性函數(shù)。掌握：內(nèi)能、焓、自由能和吉布斯函數(shù)的全微分，麥克斯韋關(guān)系及其簡(jiǎn)單應(yīng)用，基本熱力學(xué)函數(shù)的確定，會(huì)分析用熱力學(xué)偏導(dǎo)數(shù)表達(dá)的一些物理效應(yīng)，特性函數(shù)及其應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容：一、內(nèi)能、焓、自由能和吉布斯函數(shù)的全微分二、麥?zhǔn)详P(guān)系的簡(jiǎn)單應(yīng)用三、氣體的節(jié)流過程和絕熱膨脹過程四、基本熱力學(xué)函數(shù)的確定五、特性函數(shù)六、平衡輻射的熱力學(xué)性質(zhì)七、磁介質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)第三章單元系的相變教學(xué)時(shí)數(shù)：10學(xué)時(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)：?jiǎn)卧獜?fù)相系的熱動(dòng)平衡判據(jù)，開系的熱力學(xué)基本方程，單元系的復(fù)相平衡條件，克拉珀龍方程。難點(diǎn)：熱動(dòng)平衡判據(jù)的應(yīng)用，范德瓦爾斯方程討論氣液兩相的轉(zhuǎn)變，液滴的形成條件和形成過程，過熱液體和過飽和蒸氣。教學(xué)要求：了解：相變的分類。理解：范德瓦爾斯等溫線，單元系相圖。掌握：?jiǎn)卧獜?fù)相系的熱動(dòng)平衡判據(jù)、復(fù)相平衡條件及平衡穩(wěn)定性條件，彎曲液面下相變平衡條件，克拉珀龍方程及應(yīng)用，范德瓦耳斯方程并用其討論氣液相變的性質(zhì)。教學(xué)內(nèi)容：一、熱動(dòng)平衡判據(jù)二、開系的熱力學(xué)基本方程三、單元系的復(fù)相平衡條件四、單元復(fù)相系的平衡性質(zhì)五、臨界點(diǎn)和氣液兩相的轉(zhuǎn)變六、液滴的形成七、相變的分類第四章多元系的復(fù)相平衡和化學(xué)平衡教學(xué)時(shí)數(shù)：10學(xué)時(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)：多元系的熱力學(xué)函數(shù)和熱力學(xué)方程，多元系的復(fù)相平衡條件，吉布斯相律，化學(xué)平衡條件，熱力學(xué)第三定律。難點(diǎn)：多元復(fù)相系的相變平衡條件，吉布斯相律物理意義及應(yīng)用，化學(xué)平衡條件的應(yīng)用，對(duì)熱力學(xué)第三定律的理解及其應(yīng)用。教學(xué)要求：了解：混合理想氣體的性質(zhì)，熱力學(xué)第三定律的建立。理解：化學(xué)平衡條件，吉布斯相律的物理意義，質(zhì)量作用律，熱力學(xué)第三定律。掌握：多元復(fù)相系的熱力學(xué)基本方程，多元系的復(fù)相平衡條件，吉布斯相律及其應(yīng)用，熱力學(xué)第三定律及其推導(dǎo)物質(zhì)在低溫下的性質(zhì)。教學(xué)內(nèi)容：一、多元系的熱力學(xué)函數(shù)和熱力學(xué)方程二、多元系的復(fù)相平衡條件三、吉布斯相律四、化學(xué)平衡條件五、混合理想氣體的性質(zhì)六、理想氣體的化學(xué)平衡七、熱力學(xué)第三定律第六章近獨(dú)立粒子的最概然分布教學(xué)時(shí)數(shù)：10學(xué)時(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)：粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的經(jīng)典描述、量子描述，系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述，等概率原理，分布的概念，玻耳茲曼分布、玻色分布和費(fèi)米分布，經(jīng)典極限條件。難點(diǎn)：分布和微觀狀態(tài)的關(guān)系，玻耳茲曼系統(tǒng)、玻色系統(tǒng)和費(fèi)米系統(tǒng)在確定分布下的微觀狀態(tài)數(shù)的計(jì)算，玻耳茲曼分布、玻色分布和費(fèi)米分布的導(dǎo)出以及三種分布的關(guān)系。教學(xué)要求：了解：利用統(tǒng)計(jì)處理問題的方法，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)的困難，建立量子統(tǒng)計(jì)的歷史，玻耳茲曼和愛因斯坦等物理學(xué)家對(duì)統(tǒng)計(jì)物理的貢獻(xiàn)。理解：粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子描述，系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述，等概率原理，分布和微觀狀態(tài)的關(guān)系，最概然分布。掌握：微觀狀態(tài)數(shù)、分布的概念，自由粒子、線性諧振子和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子描述，玻耳茲曼系統(tǒng)、玻色系統(tǒng)和費(fèi)米系統(tǒng)在確定分布下的微觀狀態(tài)數(shù)的計(jì)算，玻耳茲曼分布、玻色分布和費(fèi)米分布以及三種分布的關(guān)系，經(jīng)典極限條件。教學(xué)內(nèi)容：一、粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的經(jīng)典描述二、粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子描述三、系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述四、等概率原理五、分布和微觀狀態(tài)六、玻耳茲曼分布七、玻色分布和費(fèi)米分布八、三種分布的關(guān)系第七章玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)教學(xué)時(shí)數(shù)：10學(xué)時(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)：配分函數(shù)，熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式，理想氣體的物態(tài)方程，能量均分定理，麥克斯韋速度分布律，理想氣體的內(nèi)能和熱容量，理想氣體的熵。難點(diǎn)：熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)的困難和原因，量子統(tǒng)計(jì)解決問題的方法，固體熱容量的愛因斯坦理論。教學(xué)要求：了解：玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)處理問題的方法，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)的困難，固體熱容量的愛因斯坦理論。理解：配分函數(shù)的意義和作用，能量均分定理。掌握：由配分函數(shù)表示的熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式，由玻耳茲曼分布導(dǎo)出理想氣體的物態(tài)方程、氣體分子的麥克斯韋速度分布律，能量均分定理及其應(yīng)用，玻耳茲曼量子統(tǒng)計(jì)解決經(jīng)典統(tǒng)計(jì)遇到的幾個(gè)困難。教學(xué)內(nèi)容：一、熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式二、理想氣體的物態(tài)方程三、麥克斯韋速度分布律四、能量均分定理五、理想氣體的內(nèi)能和熱容量六、理想氣體的熵七、固體熱容量的愛因斯坦理論第八章玻色統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米統(tǒng)計(jì)教學(xué)時(shí)數(shù)：8學(xué)時(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)：熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式，光子氣體、金屬中的自由電子氣體的熱力學(xué)性質(zhì)，玻色-愛因斯坦凝聚現(xiàn)象。難點(diǎn)：統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)，玻色-愛因斯坦凝聚，光子氣體、金屬中的自由電子氣體的熱力學(xué)性質(zhì)。教學(xué)要求：了解：粒子間的量子統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)對(duì)系統(tǒng)性質(zhì)的影響，玻色-愛因斯坦凝聚現(xiàn)象。理解：光子氣體服從量子統(tǒng)計(jì)研究平衡輻射，金屬中自由電子的熱容量及其它性質(zhì)。掌握：巨配分函數(shù)，玻色系統(tǒng)和費(fèi)米系統(tǒng)熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式，玻色-愛因斯坦凝聚現(xiàn)象及產(chǎn)生條件。教學(xué)內(nèi)容：一、熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式二、玻色-愛因斯坦凝聚三、光子氣體四、金屬中的自由電子氣體

附錄1．考核：期末閉卷考試與平時(shí)